聚酰亚胺薄膜冲裁成型模设计与制造

摘 "要：针对聚酰亚胺薄膜冲裁加工中废品率高、效率低、模具寿命短的问题，对现有模具结构和冲裁过程模具刃口受力情况进行分析，指出用斜刃冲裁模加工聚酰亚胺薄膜的弊病和不足。根据压辊冲裁机理，重新设计、制造了一套在普通压力机上实现无间隙冲裁的新型模具。用软质上模与硬质下模相互啃切形成无间隙配合，用有滚珠导向结构的精密模架和能够自动调整对中的单球面浮动模柄，弥补冲床滑块与工作台面不平行对模具寿命的影响。生产实践证明，此模具设计方案和制造方法简单可行，降低了模具加工难度、缩短了制造周期；加工了0.04mm的聚酰亚胺薄膜，冲切断面平整、无毛刺，尺寸符合图纸要求，适于批量化生产。

关键词：聚酰亚胺薄膜；冲裁；啃切；无间隙；滚珠模架；浮动模柄

中图分类号：TG305 """""""文献标志码：A

Design and manufacturing of the punching and forming die for polyimide film

LI Chao

（Xian Vocational and Technical College， Xian 710077， Shaanxi， China）

Abstract： In response to the problems of high scrap rate， low efficiency， and short mold life in the punching process of polyimide film， an analysis is conducted on the existing mold structure and the force on the mold edge during the punching process. The drawbacks and shortcomings of using oblique edge punching molds to process polyimide film are pointed out. Based on the punching mechanism of the pressure roller， a new type of mold has been redesigned and manufactured to achieve seamless punching on a regular press. Using a soft upper mold and a hard lower mold to gnaw and cut each other without gaps， a precision mold base with a ball guide structure and a single spherical floating mold handle that can automatically adjust the alignment are used to compensate for the impact of non parallelism between the press slider and the worktable on the mold life. Production practice has proven that this mold design scheme and manufacturing method are simple and feasible， and have been recognized by the mold manufacturer， reducing the difficulty of mold processing and shortening the manufacturing cycle; The punching section of 0.04mm polyimide film is flat， without burrs， and the size meets the requirements of the drawing， making it suitable for mass production.

Key words： polyimide film; punching; gnaw and cut; no gaps; ball mold base; floating mold handle

0 "引 "言

聚酰亚胺薄膜（带）由苯四甲酸二酐与对二氨基二苯醚合成树脂，经过流涎、亚胺化制成，是综合性能最佳的有机高分子材料之一。其耐高温达400℃以上；可耐极低温，在-269℃的液氮中不会脆断；长期使用温度范围-200～300℃，高绝缘性能。同时具有优良的机械性能，未填充的塑料的抗张强度在100MPa以上，弹性模量3～4GPa。聚酰亚胺由于上述性能上的特点，被广泛应用在薄膜、涂料、先进复合材料、纤维、工程塑料。

图1为某航空发动机落压比调节器中使用的薄膜，由上述聚酰亚胺薄膜经平板硫化机热压型面后再冷冲切成型，厚度0.04mm，在冷冲压加工领域里属超薄冲裁件。

此类零件一般需采用精密冲裁设备，配小间隙或无间隙冲裁模加工。而工厂现有设备资源和模具制造能力均无法满足此要求，仅能通过如图2所示的手打模冲裁。

上述模具的凹模和冲头刃口均为斜刃口，底座由聚氯乙烯板制作。为了保证冲切时薄膜型面与孔和外形的位置关系，薄膜毛坯在平板硫化机热压和手打模冲切时采用相同的定位基准，工件和压板通过定位销定位，凹模由压板引导，冲头由凹模引导，下衬聚氯乙烯板进行冲制。所得制品外观质量波动大，合格率低，已无法满足工厂科研生产配套需求，仅能通过加大投入量保证产出，主要存在以下问题：

（1） 薄膜外径较大，手工敲打凹模时无法准确敲击凹模中心，导致沿周刃口受力不均匀，常出现冲不断的现象，废品率高；

（2） 冲裁力凭工人经验控制，冲切时刃口易切入底板，损伤刃口、破坏底板，需经常修模、更换工作部件；

（3） 纯手工作业，生产效率低。

通过模具结构优化、采用更优的模具材料等技术手段后，上述问题有所改善，但生产效率依然很低，仅能保障产品研发的使用需求，无法形成批量化生产。随着各型航空发动机生产任务的增加，纯手工作业、生产效率低的问题急需解决。

为了进一步解决加工质量和生产效率问题，2022年成立了攻关小组，致力于此项目的研究。摸索了一套新型无间隙冲裁模的设计、制造方法，能够在现有设备资源条件下制成新型无间隙冲裁模，实现聚酰亚胺薄膜的高品质、高效率加工。

1 "新型无间隙冲裁模具的可行性分析

在梁炳文主编的《实用板金冲压工艺图集》中记载了一种压辊冲裁法［1-2］，冲裁过程如图3所示，底板6固定在工作台上，模具4固定在底板6上，放上板料1，在板料1上放上一块赛罗本德铋基合金板3（其所含各金属质量分数为铋50%，锡26.7%，铅13.3%，镉10%），在驱动辊5和压辊2的压力下移动，冲裁出多排复杂板件。此法的缺点是每冲裁一次，需将合金板在100℃以下的熔点熔化一次，成本高，只适用于小批量生产。

上述压辊冲裁法的工作原理是利用合金板的软态，将其辊压至硬态的模具4的空隙中，从而切断板料得到所需零件。这一示例提示了我们，传统复合冲裁模具的凸凹模也可选用软质材料，通过硬质凸模、凹模与软质凸凹模啃切形成无间隙配合，从而得到一种新型无间隙模具制造方法。

在冲裁模设计中，模具间隙的大小是影响冲裁零件断面质量和冲裁力的主要原因，根据冲裁零件材料的性质及厚度不同，要求有各自的合理间隙。对于聚酰亚胺薄膜这种超薄材料，需用配合间隙近似为零的无间隙模和导向精密的精冲机完成冲裁。而在现有的普通设备上实现这种超薄材料冲裁需克服以下困难［3-6］：

（1） 现有冲床设备由于长期加工硬度、厚度、形状不同的零件，模具压力中心与冲床压力中心不统一，致使冲床导轨磨损严重，导向偏差严重，最大滑动间隙达0.2～0.3mm，无法满足上述无间隙冲裁模的导向精度要求；

（2） 常规导柱导套之间滑动间隙大，多为0.02～0.05mm，无法满足上述无间隙冲裁模的要求。

因此，按照常规结构设计的无间隙模具在现有设备上无法实现冲裁加工，稍有偏差即发生啃刃、蹦刃现象， 而采购高达百万元以上的精冲机显然是不经济的，只能在模具结构上解决精密导向的问题，提高模具的使用精度和寿命。

2 "模具设计

2.1 "模具结构设计

为了保证薄膜型面与外形和孔的位置关系，即图1中同轴度0.1mm的要求，模具设计时凹模上设置两定位销与热压成型模保持一致，采用顺装模具结构。为了弥补冲床滑块与工作台面不平行度大所造成的不足，选用具有滚珠导向结构的精密模架和能够自动调整对中的浮动模柄，在工作中导柱与导套始终不脱离，以满足无间隙冲裁模具的导向精度要求［7-8］，模具结构如图4所示。

2.2 "工作部件设计

为实现凸模、凹模与凸凹模啃切形成无间隙配合，模具设计中凸模、凹模选用CrWMn，热处理硬度HRC58～62，而凸凹模则选用了预硬钢NAK80，出厂硬度HB340～380，同时，凸凹模孔尺寸比凸模外径小0.1～0.2mm，凸凹模外径尺寸比凹模内径大0.1～0.2mm，如图5～图7所示。

2.3 "模具设计要点

（1） 模具主要工作部件（凸模、凹模和凸凹模）的选材不同，材质硬度不同，工作部件间的工作间隙靠相互啃切形成，以此形成无间隙冲裁。

（2） 模具工作部件相互啃切形成无间隙配合后，必须依靠滚珠模架及浮动模柄保证其后续工作关系不发生变化。

（3） 凸模、凹模与凸凹模啃切前两者的尺寸关系为负间隙，也就是单边需要留有0.05～0.10mm的啃切余量。

3 "模具制造要点

（1） 凸模、凹模制造方法同一般钢模，采用数控车等常规机械加工方法加工出毛坯［9］，再经热处理强化，最后通过磨削等精加工方法保证图纸相关技术要求。

（2） 凸凹模刃口采用啃切方法制造，其自身的尺寸精度可适当降低，但必须将刃口段与端面的垂直度控制在0.01mm之内［10］。

（3） 新型无间隙冲裁模具采用强力压料，压料不均会使零件质量下降，因此，凡与上、下模板平行的零件表面应提高其平面度、平行度和表面粗糙度［11］。

（4） 模具凸模、凹模与凸凹模没有进行相互啃切前，由模具装配钳工保证凸模、凹模和凸凹模的相对位置关系，先不安装上模的推件器、顶杆和下模的退件器、顶杆，其余零件装配完成后将整套模具装夹于冲床上，启动机床，调整滑块高度，使上模逐步切入凸凹模口部0.5～1.0mm（每次啃切深度0.3～0.5mm）。啃切凸凹模刃口是制造无间隙冲裁模的核心环节，啃切前凸、凹刃口涂润滑剂，啃切后及时清理废屑，啃切过程如图8所示。最后，将模具从冲床上拆下，对凸凹模磨削开刃口，重新组装。模具实物如图9所示。

4 "试冲结论

将上述聚酰亚胺薄膜材料在这种新型无间隙冲裁模上试冲后，零件冲切断面整齐，无毛刺，外观质量符合航空制品的要求；经计量检测，尺寸精度和形位公差符合图样要求。另外，还针对航空发动机燃油控制系统中常用的0.1mm厚度的不锈钢板、0.3mm厚度的聚乙烯塑料薄膜和0.5mm厚度的夹布橡胶薄膜进行试冲，所得零件尺寸满足图样要求，断面毛刺符合标准要求。

５ "结 "语

利用凸模、凹模加工凸凹模形成近似零间隙（无间隙）的模具，制造方法简单易实现，并有效降低了小间隙模具加工的难度、缩短制造周期。另外，此模具通过自身结构形成精准导向，工作中可有效保证上、下模中心不偏移，对设备无特殊要求，利用普通冲裁设备即可实现，易于普及应用。不仅适用于冲0.04mm厚度的聚酰亚胺薄膜，也可冲金属薄料（厚度小于等于0.1mm）、塑料及夹布橡胶薄膜（厚度小于等于0.5mm），所得零件冲裁断面整齐，毛刺符合标准要求。为工厂薄板料及橡胶、塑料薄膜类零件的冲裁提供了一种有效的解决方案。

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作者简介：李超，讲师，主要从事机械制造工艺方面的研究。

（西安职业技术学院，陕西 "西安 "710077）